主动补偿功率预测偏差的风机电气结构及控制策略的制作方法

1.本发明属于风电机组技术领域，具体涉及一种主动补偿功率预测偏差的风机电气结构及控制策略。


背景技术：

2.风机的功率波动是限制风电大规模开发及并网的关键因素之一，风电功率预测系统可在一定程度上减轻风电功率波动的影响，降低电网调度及调频的难度。然而，风电功率预测与风机实际功率存在偏差，短期预测准确率为90％，也无法预测瞬时阵风的影响，因此风机功率的波动性仍是提升风电装机及发电量的难题之一。
3.为解决风机功率波动对电网频率的影响，目前风电场一般配置10％装机容量的储能系统，可有效降低功率波动对电网频率的影响。但集中式储能占地面积大，需要配置电池管理系统、能量管理系统、并网逆变器、变压器等，显著增加了风电场的投资。目前风机的电气系统包括发电机、机侧变流器、直流电容、网侧变流器、交流滤波器和变压器，大部分时间未处于满发状态，电气设备提升利用率的空间巨大，为风机本身提升限值功率波动的能力提供了基础条件。利用这些可提升的空间，通过设计合适的电气回路及控制策略，使风机在捕获最大风能的同时，主动补偿功率预测偏差，发出与功率预测曲线相等的实际功率，从而降低对电网频率的不利影响，减少储能系统的建设规模甚至不建设专门的储能电站，进而降低风电场的投资。
4.因此，需要提出一种主动补偿功率预测偏差的风机电气结构及控制策略来解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种主动补偿功率预测偏差的风机电气结构及控制策略，该方案可适用于全功率风机，包括直驱式、半直驱式一类发电机出力全部经换流器并网的风机和双馈风机这类发电机出力部分经换流器并网的风机，使风机同时跟踪最大功率点及风功率预测曲线，解决风机本身功率波动、实际功率与风功率预测有偏差的问题，降低对电网频率的不利影响，并在一定程度上提升风机参与电网调频的能力。
6.为实现上述技术效果，本发明所采用的技术方案是：
7.主动补偿功率预测偏差的风机电机结构，包括储能电池，储能电池通过dc/dc变压器连接至变流器直流侧；多组dc/dc变压器通过直流断路器或直流熔断器接入风机变流器直流侧，并通过直流汇流母排或母线连接；机侧变流器、网侧变流器和dc/dc变压器采取协调控制策略同时跟踪mppt和功率预测曲线，并考虑储能电池充放电策略；
8.进一步地，dc/dc变压器将风机变流器的直流电压转变为适合储能电池组充放电的直流电压，适应一定范围内风机变流器直流电压的波动，电能双向流动。
9.提高风机网侧变流器和变压器的设计容量，使风机在发电机满发时，进一步提升风机的输出功，最大容量方法如下：
[0010][0011]
其中，s
max
为网侧变流器和变压器最大容量；p
g_vsc
为机侧变流器容量，其容量取决于风机类型；p
dc/dc
为dc/dc变压器容量，公式中计及所有dc/dc变压器容量之和；q
s_vsc
为网侧变流器额定无功功率，可替换为含有功率因数的表达式；
[0012]
进一步地，网侧变流器提高容量后，可用于参与电网调频时发出超过风机额定功率的功率，或储存更多的电网盈余功率；机侧变流器容量与常规设计的风电机组保持一致；储能电池可采用多种型式，包括但不限于锂电池、钠电池或铅蓄电池。
[0013]
上述主动补偿功率预测偏差的风机电机结构的控制策略如下：
[0014]
s1，机侧变流器、网侧变流器和dc/dc变压器相互协调配合，在电池充放电功率和容量允许的范围内，使风机按最大功率点追踪曲线捕获风能，并按风功率预测曲线输出有功功率；协调控制策略如下：
[0015]
s101，机侧变流器按mppt曲线对发电机进行转矩控制或励磁控制，使发电机输出当前风速下对应的最大功率，发电机输出功率经机侧变流器整流后，输出到变流器直流侧；
[0016]
s102，网侧变流器接收风功率预测系统发出的对本风机的功率预测曲线，更新频率与风功率预测系统的更新频率保持一致；网侧变流器也可按一次调频曲线或调度指令主动参与电网一次调频和二次调频，具体方法如下：
[0017]
网侧变流器有功功率类控制采取定有功功率控制，对于全功率风机，其有功功率指令值为功率预测曲线上的功率值或参与电网调频的功率指令；对于双馈风机，其有功功率指令值应为期望的功率指令(功率预测曲线上的功率值或参与电网调频的功率指令)减去发电机定子实时功率；
[0018]
网侧变流器无功功率类控制根据需要选取定无功功率控制或定交流电压控制；
[0019]
s103，当仅有一条dc/dc变压器支路时，dc/dc变压器控制变流器直流侧电压u
dc
，具体方法如下：
[0020]udc
超过指令值时，dc/dc变压器增大储能电池的充电功率，使直流电压降低；
[0021]udc
低于指令值时，dc/dc变压器增大储能电池的放电功率，使直流电压升高；
[0022]
s104，当有多条dc/dc变压器支路时，采用分层控制架构避免各支路间功率环流，具体方法如下：
[0023]
上层控制控制变流器直流侧电压u
dc
，产生总的功率指令p
∑
，然后根据各支路储能电池的当前充电状态即soc，确定各支路合适的功率分配p
dc/dci
，功率与当前soc的对应关系取决于所用电池性能；
[0024]
下层控制为dc/dc变压器本身的功率控制，接收上层控制的功率指令，对储能电池进行充放电；
[0025]
进一步地，dc/dc变压器的最大功率除了受自身额定电气量限制外，还受储能电池最大充放电电流、最大充电电压的双重限值。当储能电池充满时，dc/dc变压器充电功率为0；当储能电池放空时，dc/dc变压器放电功率为0。
[0026]
s2，当dc/dc变压器的最大功率达到限值仍无法满足控制u
dc
恒定时，即机侧变流器和网侧变流器的有功功率差值大于dc/dc变压器的最大功率时，u
dc
逐步升高或降低，直至超过允许的上下限；此时，网侧变流器将接管u
dc
控制功能，不再运行于定有功功率控制模式。
[0027]
优选地，上述主动补偿功率预测偏差的风机电机结构的控制策略的步骤s3中，网侧变流器接管u
dc
控制功能的方法包括以下两种：
[0028]
a.由更高一层的控制层级发出控制模式切换指令：
[0029]
网侧变流器切换为定直流电压控制模式，仍将直流电压控制为额定值；dc/dc变压器切换为定功率控制模式，其功率指令根据储能电池的剩余电量决定；
[0030]
b.采用电压裕度控制实现自动切换，通过设置合适的直流电压上下限u
dc_max
、u
dc_min
，并将其作为网侧变流器的直流电压指令，网侧变流器将自动把直流电压控制在u
dc_max
或u
dc_min
。
[0031]
本发明的有益效果为：
[0032]
1，本发明可根据风机塔筒和基础内的空间灵活布置多组储能电池及dc/dc变压器支路，提高空间利用率及布置灵活性；利用多组储能电池及dc/dc变压器，可使风机主动弥补风功率预测的偏差，可用于设计构建并网友好型风机及现有风机升级改造，降低风电功率波动对电网频率的不利影响，减少弃风率，从而在一定程度上解决风电大规模建设和并网的技术难题。
[0033]
2，本发明利用多组储能电池及dc/dc变压器，优化机侧变流器、网侧变流器和变压器的容量，可使风机根据一次调频曲线或调度指令主动参与电网一次调频和二次调频，发出超过或少于当前风速对应的最大功率，甚至在一定时间内超过风机额定功率。
[0034]
3，本发明可使风电场在参与电网现货市场时获取更多收益，在实时电价较高时，主动发出储能电池的能量，参与现货市场交易；可降低风电场配套的储能电站规模，甚至不建设配套储能电站，从而降低风电场投资。
[0035]
4，本发明提供了一种协调控制机侧变流器、网侧变流器和dc/dc变压器的方法，使风机同时满足最大功率点追踪控制、弥补风功率预测曲线偏差、响应电网一二次调频需求、电池充电功率限制。
附图说明
[0036]
图1为本发明实施例1中主动补偿功率预测偏差的双馈风机电气结构图；
[0037]
图2为本发明实施例2中主动补偿功率预测偏差的全功率风机电气结构图；
[0038]
图3为本发明中dc/dc变压器(组)的控制策略；
[0039]
图4为本发明中机侧变流器、网侧变流器、dc/dc变压器(组)的稳态运行曲线；
具体实施方式
[0040]
实施例1：
[0041]
如图1所示，提供了一种基于双馈风机的实施例，具体如下：
[0042]
主动补偿功率预测偏差的风机电机结构，包括储能电池，储能电池通过dc/dc变压器连接至变流器直流侧；多组dc/dc变压器通过直流断路器或直流熔断器接入风机变流器直流侧，并通过直流汇流母排或母线连接；机侧变流器、网侧变流器和dc/dc变压器采取协调控制策略同时跟踪mppt和功率预测曲线，并考虑储能电池充放电策略；
[0043]
实施例2：
[0044]
如图2所示，提供了一种基于全功率风机的实施例，具体如下：
[0045]
三组储能电池及dc/dc变压器支路布置在风机变流器直流侧；网侧变流器及变压器容量按最大值设计。
[0046]
进一步地，dc/dc变压器将风机变流器的直流电压转变为适合储能电池组充放电的直流电压，适应一定范围内风机变流器直流电压的波动，电能双向流动。
[0047]
实施例3：
[0048]
如图3所示，图3是dc/dc变压器(组)控制策略；上层控制控制目标为直流电压，通过直流电压控制器实现，u
dc_ref
为直流电压指令，u
dc
为直流电压测量值；p
∑
为各支路总功率；功率分配模块根据储能电池soc确定总功率在各支路的分配，qn为第n条支路的储能电池剩余电量，pn为分配给第n条支路的充放电功率；功率限制器根据dc/dc变压器的最大功率、储能电池的最大充放电功率对功率指令进行限值，p
ref n
为限制后最终的功率指令；dc/dc充电控制根据功率指令、充电电流i
bn
，调整dc/dc变压器输出的充电电压u
bn
，u
bn
构成闭环反馈。
[0049]
dc/dc变压器(组)具体的控制策略如下：
[0050]
首先，提高风机网侧变流器和变压器容量，使风机在发电机满发时，进一步提升风机的输出功，最大容量方法如下：
[0051][0052]
其中，s
max
为网侧变流器和变压器最大容量；p
g_vsc
为机侧变流器容量，其容量取决于风机类型；p
dc/dc
为dc/dc变压器容量，公式中计及所有dc/dc变压器容量之和；q
s_vsc
为网侧变流器额定无功功率，可替换为含有功率因数的表达式；
[0053]
进一步地，网侧变流器提高容量后，可用于参与电网调频时发出超过风机额定功率的功率，或储存更多的电网盈余功率；机侧变流器容量与常规设计的风电机组保持一致；储能电池可采用多种型式，包括但不限于锂电池、钠电池或铅蓄电池。
[0054]
s1，机侧变流器、网侧变流器和dc/dc变压器相互协调配合，在电池充放电功率和容量允许的范围内，使风机按最大功率点追踪曲线捕获风能，并按风功率预测曲线输出有功功率；协调控制策略如下：
[0055]
s101，机侧变流器按mppt曲线对发电机进行转矩控制或励磁控制，使发电机输出当前风速下对应的最大功率，发电机输出功率经机侧变流器整流后，输出到变流器直流侧；
[0056]
s102，网侧变流器接收风功率预测系统发出的对本风机的功率预测曲线，更新频率与风功率预测系统的更新频率保持一致；网侧变流器也可按一次调频曲线或调度指令主动参与电网一次调频和二次调频，具体方法如下：
[0057]
网侧变流器有功功率类控制采取定有功功率控制，其有功功率指令值为功率预测曲线上的功率值或参与电网调频的功率指令；
[0058]
网侧变流器无功功率类控制根据需要选取定无功功率控制或定交流电压控制；
[0059]
s103，当仅有一条dc/dc变压器支路时，dc/dc变压器控制变流器直流侧电压u
dc
，具体方法如下：
[0060]udc
超过指令值时，dc/dc变压器增大储能电池的充电功率，使直流电压降低；
[0061]udc
低于指令值时，dc/dc变压器增大储能电池的放电功率，使直流电压升高；
[0062]
s104，当有多条dc/dc变压器支路时，采用分层控制架构避免各支路间功率环流，
具体方法如下：
[0063]
上层控制控制变流器直流侧电压u
dc
，产生总的功率指令p
∑
，然后根据各支路储能电池的当前充电状态即soc，确定各支路合适的功率分配p
dc/dci
，功率与当前soc的对应关系取决于所用电池性能；
[0064]
下层控制为dc/dc变压器本身的功率控制，接收上层控制的功率指令，对储能电池进行充放电；
[0065]
进一步地，dc/dc变压器的最大功率除了受自身额定电气量限制外，还受储能电池最大充放电电流、最大充电电压的双重限值。当储能电池充满时，dc/dc变压器充电功率为0；当储能电池放空时，dc/dc变压器放电功率为0。
[0066]
s2，当dc/dc变压器的最大功率达到限值仍无法满足控制u
dc
恒定时，即机侧变流器和网侧变流器的有功功率差值大于dc/dc变压器的最大功率时，u
dc
逐步升高或降低，直至超过允许的上下限；此时，网侧变流器将接管u
dc
控制功能，不再运行于定有功功率控制模式。
[0067]
优选地，上述主动补偿功率预测偏差的风机电机结构的控制策略的步骤s3中，网侧变流器接管u
dc
控制功能的方法包括以下两种：
[0068]
a.由更高一层的控制层级发出控制模式切换指令：
[0069]
网侧变流器切换为定直流电压控制模式，仍将直流电压控制为额定值；dc/dc变压器切换为定功率控制模式，其功率指令根据储能电池的剩余电量决定；
[0070]
b.采用电压裕度控制实现自动切换，通过设置合适的直流电压上下限u
dc_max
、u
dc_min
，并将其作为网侧变流器的直流电压指令，网侧变流器将自动把直流电压控制在u
dc_max
或u
dc_min
。
[0071]
如图4所示，图4为方式b下的机侧变流器、网侧变流器和dc/dc变压器的稳态运行曲线；图中功率以流入风机变流器直流侧为正，即机侧变流器、网侧变流器处于整流状态时直流功率为正，dc/dc变压器在储能电池处于放电状态时直流功率为正。u
dc_ref
为正常运行时的直流电压指令；u
dc_max
、u
dc_min
分别是网侧变流器高电压指令和低电压指令；p
gvsc
、p
svsc
为机侧变流器的功率；p
charge
、p
discharge
分别为dc/dc变压器(组)的最大直流功率；当dc/dc变压器(组)达到最大直流功率时，直流电压升高或降低，网侧变流器逐步接管定直流电压控制，最终达到u
dc_max
、u
dc_min
。
[0072]
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本技术中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。